此前，有科研人員利用3D癌癥模型來研究卵巢癌患者機體中腫瘤的生長、進展以及對新型療法的反應情況，但是成功的并不多見，而傳統(tǒng)的2D細胞培養(yǎng)并不能模擬腫瘤組織的關鍵特征，物種間的差異也可能會導致很多在動物宿主中進行的成功療法在人類臨床試驗中變得無效。

近日，科學家們利用卵巢癌腫瘤的三維模型，發(fā)現(xiàn)了基于細胞在腫瘤中的位置的基因活性差異，證明了細胞在癌變腫瘤中的位置和環(huán)境如何強烈影響哪些基因活躍以及細胞在癌癥生物學中的作用。更具體地說，由美國國立衛(wèi)生研究院下屬的國家推進轉化科學中心(NCATS)的研究人員共同領導的研究小組表明，腫瘤表面或附近細胞的基因活性與靠近腫瘤中心的細胞不同。

該方法將揭示腫瘤內單細胞遺傳活性的技術與擴散到腫瘤中的熒光染料相結合。這項工作可以讓研究人員研究相同的疾病在人與人之間是如何變化的，以及如何以不同的方式發(fā)展。這項研究可以幫助臨床醫(yī)生確定針對腫瘤特定區(qū)域的治療策略，這可能會為癌癥和其他疾病帶來更好的治療方法。研究小組于6月21日在《細胞系統(tǒng)》雜志上報告了他們的研究結果。

“人們普遍認為，細胞的位置和周圍環(huán)境會影響細胞的身份，”NCATS的轉化科學家克雷格·托馬斯博士說。“兩個細胞可能基因相同，但具有不同的細胞身份，這意味著不同的基因會因它們的位置和環(huán)境而被激活。我們的目標是建立一種簡單的方法，在多種環(huán)境下研究這一概念。”

這種新系統(tǒng)被稱為外源性灌注分割(Segmentation by Exogenous Perfusion，簡稱SEEP)，它利用了一種能以特定速率擴散到整個腫瘤細胞中的染料。測量有多少染料進入單個腫瘤細胞提供了關于細胞位置的信息，特別是它進入外部環(huán)境的信息。利用計算方法，研究人員將這些信息與細胞的基因活動聯(lián)系起來，使科學家能夠將細胞的身份與其位置聯(lián)系起來。

“了解細胞之間的關系以及它們在空間中的位置的影響，一直是癌癥、神經系統(tǒng)疾病和其他領域的一個基本問題，”劍橋大學的合著者托馬斯·諾爾斯博士說。

在這項研究中，研究人員使用了三種類型的三維實驗室模型——球體模型、類器官模型和小鼠模型——這些模型都是由人類卵巢癌細胞創(chuàng)建的。球狀體是在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的三維細胞簇，可以模仿器官和組織的某些特征。同樣在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的類器官是更復雜的3d模型，更接近于模仿器官和組織的功能和結構。在小鼠模型中，研究人員植入人類卵巢癌細胞形成腫瘤。

“重要的是要明白，并非腫瘤中的每個細胞都會以同樣的方式暴露在藥物中，”諾爾斯說。“抗癌藥物可能會殺死腫瘤表面的細胞，但中間的細胞是不同的，受到的影響也不同。這可能是一些療法失敗的原因。”

SEEP方法顯示靠近腫瘤表面的腫瘤細胞比靠近腫瘤中心的細胞更容易發(fā)生細胞分裂。腫瘤表面的細胞也會開啟基因，以保護它們免受免疫系統(tǒng)的反應。毫不奇怪，這些基因反應與腫瘤如何躲避人體免疫防御有關。

研究人員對卵巢癌腫瘤模型表面或表面附近的細胞與腫瘤模型內部的細胞之間的基因活性差異感到驚訝。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助科學家更好地了解腫瘤的結構。這些信息可能會改善治療方法。一種可能的癌癥治療方法是針對腫瘤不同區(qū)域可能受到影響的細胞。

第一作者、哈佛大學醫(yī)學院學生David Morse博士指出:“某些腫瘤細胞類型對某些治療方法敏感。“了解細胞的位置及其在腫瘤中的可及性水平可以幫助我們決定如何聯(lián)合使用藥物。它可以幫助我們知道給藥的時間，以及何時轉向其他療法。”

美國國立衛(wèi)生研究院的研究得到了NCATS臨床前創(chuàng)新部門和國家癌癥研究所癌癥研究中心的支持。哈佛大學的工作由美國國家科學基金會(DMR-1708729)和哈佛材料研究科學與工程中心(DMR-2011754)資助。劍橋大學的研究得到了生物技術和生物科學研究委員會、紐曼基金會、威康信托基金會和歐洲研究委員會在歐盟第七框架計劃(FP7/2007-2013)下的支持，并通過歐洲研究委員會資助PhysProt(協(xié)議號:337969)。該研究還得到了美國國立衛(wèi)生研究院牛津-劍橋學者項目和Certara生物醫(yī)學研究獎學金的支持。

文獻參考：

1.David B. Morse, Aleksandra M. Michalowski, Michele Ceribelli, Joachim De Jonghe, Maria Vias, Deanna Riley, Theresa Davies-Hill, Ty Voss, Stefania Pittaluga, Christoph Muus, Jiamin Liu, Samantha Boyle, David A. Weitz, James D. Brenton, Jason D. Buenrostro, Tuomas P.J. Knowles, Craig J. Thomas. Positional influence on cellular transcriptional identity revealed through spatially segmented single-cell transcriptomics. Cell Systems, 2023; 14 (6): 464 DOI: 10.1016/j.cels.2023.05.003